CH651716A5

CH651716A5 - Beleuchtungseinrichtung mit einer elektrolumineszenszelle.

Info

Publication number: CH651716A5
Application number: CH2458/80A
Authority: CH
Inventors: Paul Hochstrate
Original assignee: Timex Corp
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-28
Publication date: 1985-09-30
Also published as: US4253097A; DE3012011A1; SG62483G; FR2452849B3; GB2045552B; HK13084A; JPS55143590A; GB2045552A; FR2452849A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Elektrolumineszenszelle mit zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist, und mit Elektrolumineszensmaterial zwischen den Elektroden.

Elektrische Beleuchtungseinrichtungen, die mit Phosphor arbeiten, sind bekannt. Typischerweise besitzen derartige Elektrolumineszenszellen zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden, zwischen denen eine oder mehrere Schichten von auf ein elektrisches Feld ansprechendem Phosphormaterial sandwichartig angeordnet sind. Wenn bei einer solchen Elektrolumineszenszelle ein Wechselpotential bzw. eine Wechselspannung zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, dann wird durch das dadurch hervorgerufene elektrische Feld eine Anregung des Phosphormaterials zur Elektrolumineszens bewirkt.

Der Hauptnachteil für den wirtschaftlichen Einsatz von Elektrolumineszenszellen als Lichtquellen, insbesondere zur Hintergrundbeleuchtung in kleinen, batteriebetriebenen Geräten, beispielsweise für elektro-optische Anzeigeeinheiten solcher Geräte, ist jedoch ihr relativ kleiner Wirkungsgrad bei der Umsetzung elektrischer Energie in Licht.

Es wurde bereits versucht, den Wirkungsgrad von Elektrolumineszenszellen durch Verwendung sehr fein verteilter Phosphormaterialien zu verbessern. Auch dieser Versuch konnte jedoch nicht voll befriedigen.

Dies gilt auch für andere vorbekannte Elektrolumineszenszellen bzw. Elektrolumineszensleuchtfelder, wie sie beispielsweise in den folgenden US-PSen beschrieben sind:

2 980 816, 3 673 572, 4 099 091, 3 040 202, 3 496 410,

3 914 932, 3 894 389, 3 992 873 und 4 011 557.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Elektrolumineszenszelle anzugeben, bei der der Wirkungsgrad erheblich verbessert ist, so dass die Beleuchtungseinrichtung, insbesondere auch zur Verwendung in Verbindung mit kleinen, batteriebetriebenen Geräten, geeignet ist.

Erfindungsgemäss weist die Beleuchtungseinrichtung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung gemäss der Erfindung besteht darin, dass eine Induktivität vorgesehen ist, die der Elektrolumineszenszelle derart parallel geschaltet ist, dass sie mit dieser einen Schwingkreis bildet, und dass Impulserzeugungseinrichtungen vorgesehen sind, durch die der Schwingkreis mit Steuersignalen vorgegebener Impulsfolgefrequenz periodisch zu Resonanzschwingungen anregbar ist, um Spannungsimpulse vorgegebener Frequenz und Spannung zur Anregung der Elektrolumineszenszelle zu erzeugen.

Der entscheidende Vorteil einer Beleuchtungseinrichtung gemäss der Erfindung und der genannten Ausführungsform besteht dabei darin, dass die Ansteuerung der Elektrolumineszenszelle bei geringer relativer Einschaltdauer mit hochfrequenten, impulsförmigen elektrischen Signalen erfolgen kann, was zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades führt,'wobei die Wiederhol- bzw. Impulsfolgefrequenz für die Ansteuerung insbesondere gleich oder höher als die sogenannte Flimmerfrequenz gewählt wird, so dass sich aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges der optische Eindruck einer kontinuierlichen, gleichmässigen Lichtemission bzw. Beleuchtung ergibt, wobei auch das Nachleuchten des

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Elektrolumineszensmaterials und das sogenannte «Übersprechen» bei mehreren zu einer Baueinheit zusammengefassten Elektrolumineszenszellen bei der Bestimmung der für eine quasi-kontinuierliche Lichterzeugung erforderlichen Impulsfolgefrequenz sinnvoll berücksichtigt werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Elektrolumineszenszelle;

Fig. 2a und Fig. 2b eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung gemäss der Erfindung bzw. ein Steuersignal für eine solche Beleuchtungseinrichtung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung gemäss der Erfindung;

Fig. 4 Diagramme des Spannungsverlaufs an wesentlichen Punkten der Beleuchtungseinrichtung gemäss Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine in mehrere Einzelfelder unterteilte Elektrolumineszenszelle, deren Einzelfelder erfin-dungsgemäss im Multiplexbetrieb mit impulsförmigen elektrischen Signalen ansteuerbar sind.

Im einzelnen zeigt Fig. I der Zeichnung einen Querschnitt durch eine Elektrolumineszenszelle 1 mit einer transparenten äusseren Schutzschicht 2, insbesondere aus Kunststoff, welche mit einer ersten lichtdurchlässigen Elektrode 3 beschichtet ist. Die erste Elektrode 3 ist mit einer Schicht 4 aus Elektrolumineszensmaterial, insbesondere Phosphor, beschichtet. Über der Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 und über dieser eine zweite Schutzschicht 6. Eine Epoxidharzdichtung 7 dient zum dichtenden Verbinden der Zellenelemente. Mit den Elektroden 3 und 5 sind ferner elektrische Zuleitungen 8 bzw. 9 verbunden, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2a ist die Zuleitung 9 mit Erde verbunden, während die Zuleitung 8 über einen Schalter 11 mit einer Wechselspannungsquelle 10 verbindbar ist. Der Schalter 11 ist als mechanischer Schalter dargestellt. Dieser Schalter kann jedoch auch eine elektronische Baueinheit, wie.z.B. ein Transistor oder eine logische Schaltung, sein.

Es wurde festgestellt, dass gemäss der Erfindung ein verbesserter Wirkungsgrad erhalten werden kann, wenn man die Elektrolumineszenszelle 1 bei geringer relativer Einschaltdauer impulsförmig mit einer relativ hochfrequenten Wechselspannung ansteuert. Ein minimaler Leistungsbedarf ergibt sich dabei, wenn die Zelle bzw. ein Elektrolumineszensfeld oder ein Einzelfeld einer in mehrere Felder unterteilten Elektrolumineszenszelle mit einem Spannungsstoss in Form einer vollen Welle 17 (Fig. 2b) einer hochfrequenten Wechselspannung angesteuert wird, deren Frequenz beispielsweise zwischen 1 und 10 kHz liegen kann, wobei mit einer Wiederholfrequenz oder Auffrischfrequenz gearbeitet wird, die etwas grösser ist als die Flimmerfrequenz von 32 Hz. Auf diese Weise lässt sich eine relative Einschaltdauer bzw. ein Tastverhältnis von 0,3-3% erreichen.

Es wurde experimentell festgestellt, dass ein Spannungsstoss von mindestens einer vollen Welle 17 einer hochfrequenten Wechselspannung, der mit einer über der Flimmerfrequenz liegenden Wiederholfrequenz angelegt wird, ausreichend ist, um das Elektrolumineszensmaterial bzw. den Phosphor in der Elektrolumineszenszelle so anzuregen, dass dieses bzw. dieser ein Leuchten erzeugt, welches dem Leuchten einer kontinuierlich aktivierten Elektrolumineszenszelle entspricht. Der Leistungsbedarf beträgt dabei jedoch nur etwa 3% des Leistungsbedarfs bei kontinuierlicher Anregung.

Das Signal gemäss Fig. 2b kann an die Elektrolumineszenszelle 1 durch periodisches Schliessen des Schalters 11 angelegt werden. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Spitzen-

Spitzen-Spannung 12 ausreichend hoch ist, um die Phosphorschicht anzuregen und beispielsweise 60-80 Volt beträgt. Die Wiederholfrequenz für die Wechselspannungsimpulse kann berechnet oder empirisch so festgelegt werden, dass ein Flakkern oder Flimmern der Elektrolumineszenszelle aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges nicht mehr wahrgenommen wird.

In Fig. 3 und 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinrichtung gemäss der Erfindung dargestellt, welche speziell zur Beleuchtung der Anzeigeeinrichtungen von batteriebetriebenen Geräten wie Rechnern, Messgeräten und dergleichen mit niedrigem Spannungs- und Energiebedarf verwendet werden kann.

Die eine Zuleitung 8 der Elektrolumineszenszelle 1 ist gemäss Fig. 3 mit dem positiven Anschluss 13 einer ersten Batterie einer aus zwei Batterien aufgebauten Stromversorgung verbunden. Der andere Anschluss der ersten Batterie ist geerdet. Die andere Zuleitung 9 der Elektrolumineszenszelle 1 ist über einen Schalttransistor 15 mit einem negativen Anschluss 14 einer zweiten Batterie der Stromversorgung verbunden, deren anderer Anschluss wieder mit Erde verbunden ist. Parallel zu der Elektrolumineszenszelle ! ist eine Induktivität 16 geschaltet, derart, dass die Induktivität 16 und die Kapazität der Elektrolumineszenszelle 1 einen LC-Schwing-kreis bilden. Dieser Schwingkreis wird periodisch impulsförmig angesteuert, wenn die Verbindung zwischen den Batterieanschlüssen 13, 14 über den Schwingkreis durch den Transistor 15 geschlossen wird, wobei über der kapazitiven Elektrolumineszenszelle 1 mindestens eine Schwingung 17 auftritt. Das Schalten des Schalttransistors 15 erfolgt in Abhängigkeit von Steuerimpulsen 18, die an die Steuerelektrode des normalerweise nicht leitenden Schalttransistors 15 angelegt werden, um diesen leitend zu steuern, so dass sich ein Stromimpuls 21 ergibt, der eine Energiezufuhr zu dem Schwingkreis 1,16 ergibt. Bei der Resonanzfrequenz wird die dem Schwingkreis zugeführte Leistung durch den rein ohmschen Widerstand des Schwingkreises aufgezehrt, während sich die Blindwiderstände des Schwingkreises gegenseitig kompensieren. Die Steuerimpulse 18 werden mittels eines Impulsformers 19 erzeugt, dem ein impulsförmiges Signal 22 zugeführt wird.

Durch Abstimmung der Induktivität 16 auf die kapazitive Komponente des Scheinwiderstandes der Elektrolumineszenszelle erhält man einen Resonanzkreis, der geeignet ist, Impulse 17 hoher Spannung zu erzeugen, mit deren Hilfe das Elektrolumineszensmaterial der Elektrolumineszenszelle 1 angeregt werden kann, obwohl die aus zwei Batterien aufgebaute Speisespannungsquelle nur eine niedrige Spannung liefert. Auf diese Weise wird der Leistungsbedarf reduziert, der bei anderen Schaltungen zur Erzeugung von Impulsen hoher Spannung auftritt. Es wird also aus einer Speisespannungsquelle mit ein oder zwei Batterien niedriger Spannung, wie sie in Rechnern, Messgeräten und dergleichen verwendet werden, ein Wechselspannungssignal mit relativ hoher Spannung und Frequenz erzeugt, mit dem die Elektrolumineszenszelle impulsförmig angesteuert wird.

Die vorstehend erwähnten Signale 17, 18, 21, 22 in der Schältung gemäss Fig. 3 sind in den einzelnen Teilfiguren der Fig. 4 in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt, wobei nachzutragen ist, dass das impulsförmige Signal 22 von einem geeigneten Taktgenerator, der beispielsweise mit einer Frequenz von 32 Hz arbeitet, stammt, und vorzugsweise Bestandteil des Geräts ist, dessen Anzeige beleuchtet werden soll.

Während einer Beleuchtungseinrichtung gemäss der Erfindung mit einer grossen Vielzahl verschiedener Elektrolumineszenszellen, Induktivitäten und Transistoren aufgebaut werden kann, wobei mit unterschiedlichen Frequenzen, Batteriespannungen usw. gearbeitet werden kann, e'rgaben sich besonders vorteilhafte Betriebsbedingungen für die Schaltung

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gemäss Fig. 3 bei Verwendung der nachstehend angegebenen Bauelemente und beim Arbeiten mit den nachstehend ebenfalls angegebenen Betriebsparametern:

Spannung am Anschluss 13 bzw. 14 2,0 V

Kapazität der Elektrolumineszenszelle 0,02 nF

Induktivität 16 68 nH

Resonanzfrequenz von Schwingkreis 342 kHz

Spannung am Schwingkreis (Spitze-Spitze) 90 V

Relative Einschaltdauer für Impulse 17 0,2 %

Fig. 5 zeigt eine Elektrolumineszenszelle 2, die in mehrere Einzelfelder 3A-3F unterteilt ist. Bei Untersuchungen von Elektrolumineszenszellen wurde festgestellt, dass bei Elektrolumineszenszellen mit parallelen Platten bzw. Elektroden ein direkter Zusammenhang zwischen der Fläche und dem Stromverbrauch besteht. Beispielsweise benötigt man bei einer Elektrolumineszensdiode zum Beleuchten der Anzeige eines Kleingeräts einen Wechselstrom von etwa 42 joA für

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eine ausreichende Beleuchtung zum Ablesen einer Flüssigkristallanzeige bei schwachem bzw. ungünstigem Licht. Arbeitet man nun mit einer Multiplexansteuerung der Hintergrundsbeleuchtung, dann ergibt sich ein Strombedarf, der der

5 Summe der Einzelfelder der Elektrolumineszenszelle geteilt durch die Anzahl der Einzelfelder entspricht. Wenn beispielsweise sechs Einzelfelder 3A-3F vorgesehen sind, dann wird unter den angenommenen Bedingungen der Strom auf 7 jxA reduziert. Ausserdem wird der Spitzenstrom verringert,

io wodurch die Lebensdauererwartung der Elektrolumineszenszelle 20 erhöht wird.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 kann jedes Einzelfeld 3A-3F sequentiell zur Lumineszens erregt werden, indem man impulsförmig Signale relativ hoher Frequenz mit i5 geringerer relativer Einschaltdauer anlegt wie dies beschrieben wurde. Dabei wird das natürliche Übersprechen zwischen den Einzelfeldern ausgenutzt, um bei verbessertem Wirkungsgrad eine im wesentlichen gleichmässige und kontinuierliche Beleuchtung zu erhalten.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Beleuchtungseinrichtung mit einer Elektrolumineszens-zelle mit zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist, und mit Elektrolumineszensmaterial zwischen den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass Steuereinrichtungen (10, 11 ; 15, 16, 19,22) für die Elektrolumineszenszelle (1) vorhanden sind, mit welchen zur Anregung des Elektrolumi-neszensmaterials (4) zwecks Lichtemission periodisch mindestens eine Welle (17) eines. Wechselspannungssignals zur Erzeugung eines elektrischen Feldes an die Elektroden (8,9; 8a-8f, 9) anlegbar ist, wobei die Wiederholfrequenz unter Berücksichtigung der Nachleuchtdauer des Elektrolumines-zensmaterials (4) und/oder der für das menschliche Auge geltenden Flimmerfrequenz derart vorgegeben ist, dass eine im wesentlichen kontinuierliche, flackerfreie Lichtemission erfolgt.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktivität (16) vorgesehen ist, die der Elektrolumineszenszelle (1) derart parallel geschaltet ist, dass sie mit dieser einen Schwingkreis bildet, und dass Impulserzeugungseinrichtungen (22, 19, 15) vorgesehen sind, durch die der Schwingkreis (1, 16) mit Steuersignalen vorgegebener Impulsfolgefrequenz periodisch zu Resonanzschwingungen anregbar ist, um Spannungsimpulse vorgegebener Frequenz und Spannung zur Anregung der Elektrolumineszenszelle (1) zu erzeugen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (16) und die kapazitive Komponente des Widerstandswertes der Elektrolumineszenszelle (1) einen Schwingkreis (1, 16) mit einer beträchtlich über der Impulsfolgefrequenz der Steuersignale liegenden Resonanzfrequenz bilden.

4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis (1, 16) eine Resonanzfrequenz von mindestens 1 kHz besitzt, und dass die Impulsfolgefrequenz für die Steuerimpulse zur Erzielung einer quasi-kontinuierlichen Lichterzeugung mindestens 32 Hz beträgt.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulserzeugungseinrichtungen derart ausgebildet sind, dass mit ihrer Hilfe ein intermittierender Strom aus einer Batterie erzeugbar ist, und dass die Schwingung des Schwingkreises (1, 16) so gewählt ist, dass eine elektrische Wechselspannung erzeugbar ist, deren Spit-zen-Spitzen-Spannung (12) zumindest für eine Schwingungsperiode grösser als die Batteriespannung ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriespannung zwischen 1 und 5 Volt beträgt, und dass die elektrische Wechselspannung bei einer Frequenz zwischen 500 Hz und 20 kHz eine Spitzen-Spitzen-Spannung (12) zwischen 20 und 100 Volt aufweist.

7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Schwingen des Schwingkreises (1, 16) eine relative Einschaltdauer von weniger als 25% vorgesehen ist.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Speisespannungsquelle eine Batterie vorgesehen ist, dass die Impulserzeugungseinrichtungen einen Schalter (15) aufweisen, der in Serie zwischen dem Schwingkreis (1, 16) und den Polen (13, 14) der Batterie liegt, und dass die Impulserzeugungseinrichtungen derart ausgebildet sind, dass der Schalter (15) durch sie periodisch betätigbar ist, um den Schwingkreis (1, 16) zu Schwingungen anzuregen, derart, dass zwischen den Elektroden ein elektrisches Wechselfeld mit vorgegebener Spannung und Frequenz zur Anregung des Elektrolumineszensmaterials (4) zur Lichtemission liegt.

9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolumineszensmaterial ein Phosphormaterial vorgesehen ist.